淺析益地龍達河底欄柵取水壩水力學問題

摘 要：根據水力學原理，對底欄柵進行水力學計算，計算包括廊道進水流量計算、聯合泄流計算、廊道水面線計算等內容，通過計算為龍達河底欄柵取水壩的結構尺寸擬定提供依據。

關鍵詞：底欄柵 水力計算 水面線 廊道。

1 引言

底欄柵式引水（又叫跌落式引水），即在溢流堰頂鋪設欄柵，水流透過柵孔跌落于壩內廊道，并經過水閘流入渠道。凡大于柵孔的礫石或粗砂被阻于柵外，隨過堰水流排至河道下游;小于柵孔的粗砂進入渠道，并由渠道沉砂池或排沙閘等進行處理。這種形式用于沙礫和漂石多、河道比降陡的山溪性河流上的中小型引水工程（引水流量通常在10立方米/秒以下，有條件的地方引水流量可達到30立方米/秒）。底欄柵式引水是發展山區水利的一種較好的布置形式，值得研究推廣。

2 工程概況

龍達河取水壩主要為益地水電站水力發電提供部分水資源，取水壩布置型式采用底欄柵式。根據DL 5180- 2003《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》的規定，龍達河取水建筑物按4級設計。設計取水流量為9.6m3/s，考慮沿程滲漏損失約0.4m3/s（按取水流量的4%考慮），則取設計流量為10.0m3/s。

本工程通過底欄柵取水，并與明渠、側堰以及沉沙池等其他樞紐的聯合使用，控制設計使用流量，對底欄柵進行水力學計算，可以為取水建筑物底欄柵的結構尺寸擬定提供依據。

3 廊道進水流量的計算

根據結構布置，初擬廊道寬度b=2.0m，柵條為梯形鋼柵條，高為40mm，上底寬為14mm，下底寬為6mm，上底間隙為12mm，下底間隙為20mm，取柵條傾斜坡度i=0.1。由于欄柵間隙常被礫石、樹枝、雜草等堵住，實際采用的取水口長度可比計算值增加約30%。

根據《水工設計手冊（灌區建筑物）》，當過柵水流部分進入廊道時，其計算公式：

式中 μ——欄柵孔口的流量系數;

L——欄柵長度（垂直于河道水流方向）（m）;

b——欄柵水平投影寬度（m）;

P——欄柵間隙系數;

s——柵條間隙寬（mm）;

t——柵條寬（mm）;

——欄柵頂部的平均水深，，其中h1、h2分別為欄柵上、下游邊緣水深。

根據E.A扎馬林試驗研究，h1比相應臨界水深hk1應小10%，h2比相應臨界水深hk2應小27%，則：

式中：hk1、hk2——欄柵上、下游邊緣臨界水深;

Q1、Q2——欄柵上、下游流量;

當過柵流量全部進入廊道時，h2=0，則式（2-3）為：

根據柵條形式，查《水工設計手冊（灌區建筑物）》表38-2-12：取μ=0.41。

Q1=10.0m3/s，b=2.0m

將以上數據代入公式（3-3），計算得：L=16.211m。

考慮欄柵間隙常被礫石、樹枝、雜草等堵住，實際采用的取水口長度增加30%，L=16.211×1.3=21.075m，則取L=22m。

根據地形地質、工程結構布置條件，取水壩段左側布置寬21.0m的溢流堰。將取水段和溢流段視為寬頂堰，二者聯合泄流，通過寬頂堰公式計算下泄流量。

寬頂堰按下式計算：

式中：Q——流量，m3/s;

b——溢流堰總凈寬，m;

h0——計入行進流速的堰上水頭，m;

m——流量系數，，（）;m=3.6，;

ε——側收縮系數，計算公式如下：

當b/B<0.2時，用b/B=0.2計算，當p/H>3.0時，用p/H=3.0計算。

式中：

α——系數，閘墩（或邊墩）墩頭為矩形，寬頂堰進口邊緣為直角時，α=0.19;閘墩（或邊墩）墩頭為曲線形，寬頂堰進口邊緣為直角或圓弧時，α=0.10。

B——上游引渠寬，對于梯形斷面，近似用一半水深處的渠道寬，即B=b′0+mh/2，b′0為底寬，m為邊坡系數，h為渠道水深。

當取水段上通過10.0 m3/s流量時，代人公式（2-4）和（2-5）得：H0=0.454m。

4 廊道斷面設計

下面采用《水工設計手冊 （泄水與過壩建筑物）》P6-220棱柱體側槽的水力設計中的近似方法來確定控制斷面。以設計引用流量為控制流量來計算廊道深度。

4.1 廊道內流態判別

式中：

Ak、Bk——控制斷面的過水斷面積和水面寬度，m2、m;

Q——各斷面處的實際流量，m3/s;

i0——側槽底坡;

L——側槽長度，m。

要確定廊道深度，必須先知道控制斷面的位置，根據控制斷面位置計算水面線，再根據水面線確定廊道深度。控制斷面位置可以用臨界曲線法求得。

具體步驟如下：

1）按已知的Q、i0、L，算出式（2-6）的右端值，即;

2）將側槽分為若干計算斷面，列表計算各斷面的Ak、Bk;

3）繪制Ak·Bk～x關系曲線;

4）在曲線上取，即可求出相應的x=xk，定出控制斷面的位置;

5）若在Ak·Bk～x曲線上無可解之點，說明側槽內全為緩流，則在槽末接一水平段，水平段長度可以取3～4倍臨界水深或更長一些。

詳細計算結果見圖1。

當引進流量為10.0m3/s時：

由圖可知，在曲線上無可解之點，故槽內全為緩流。

設計引用流量對應的臨界水深：

側槽末接平臺長度可取4倍hk即5.464m，結合結構布置最終確定。

4.2廊道水面線計算

無壓流廊道內的水流為變量流，在作近似計算時，側槽末端斷面水深按下式定出：

式中：

n——系數，查《水力計算手冊》第二版表6-2-1，得n=1.3。

hk——臨界水深。

根據側槽末端水深hL，采用差分法進行水面線計算，計算結果見表4-2：

式中：

Δs——計算流程長度，m;

Δz——計算流程Δs兩端斷面的水位差，m;

J——計算流程內的平均水力坡降，;

v1，v2——計算流程上、下游斷面的平均流速，m/s;

Q1，Q2——計算流程上、下游斷面通過的流量，m3/s;

q——側向流入廊道的單寬流量，m3/s。

根據計算的水面線結果，加上安全超高1.0m，故

h=1.905+1.0=2.905m

為安全起見，取廊道高度h=3.2m。

5 結論

底欄柵取水壩在工程中得到廣泛的運用，其水力學計算是一個復雜的問題，本文以益地龍達河工程為例，淺述了底欄柵取水中的水力學計算過程。本文中為了計算簡便，存在一定結構簡化假定，故還需進一步深入探討。

參考文獻

[1]《水工設計手冊（灌區建筑物）》;

[2]《水力計算手冊》第二版;

[3]彭薇薇，大流量底格攔柵壩探討，《四川水利發電》，2004.9。

作者簡介：

王兵鋒（1986-），男，湖北棗陽人，大學本科，工程師，主要從事土建設計。